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《日本京都大学研制出高亮度连续波单模光子晶体半导体激光器》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： 李衍
  • 发布时间：2023-07-11

  • 实现大规模单模、高功率、高光束质量的半导体激光器，与体积庞大的气体和固态激光器相媲美（甚至有望取代），是光子学和激光物理学的最终目标之一。然而，由于多模振荡的出现，传统的高功率半导体激光器不可避免地会出现光束质量差的问题，而且在连续波（CW）操作下，振荡会因破坏性热效应而不稳定。

    近期日本京都大学的研究团队通过开发大型光子晶体表面发射激光器克服了以上挑战，这些激光器在光子晶体内部具有受控的厄米特和非厄米特耦合，而且因为预先安装了晶格常数空间分布，即使在 CW 条件下也能保持这些耦合. 对于具有 3 mm 大谐振直径的光子晶体表面发射激光器，已经实现了超过 50 W 的纯单模振荡和 0.05° 的极窄光束发散角的 CW 输出功率，亮度达到1 GW cm?2 ?sr?1，可与现有庞大的激光器相媲美。该工作是单模 1 千瓦级半导体激光器的一个重要里程碑，有望在不久的将来取代传统的、大体积的激光器。

    该研究成果以题名“High-brightness scalable continuous-wave single-mode photonic-crystal laser”于6月14日发表在《Nature》上，论文链接为：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06059-8

  • 原文来源：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06059-8；http://www.diodelaser.com.cn/laser/20230615/141554.html
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  • 《突破 | 日本研制出世界首个可调谐波长蓝光半导体激光器》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：胡思思
    • 发布时间：2024-11-27
    • 近日，在一项新的研究中，日本大阪大学的研究人员研制出了世界上首个紧凑型、可调波长的蓝光半导体激光器，这一突破性进展为远紫外光技术铺平了道路，并为病毒灭活和细菌消毒等领域的应用带来了巨大潜力。该研究成果已发表在《应用物理学快报》（Applied Physics Express）期刊上。 日本大阪大学的研究团队此前已经证明了使用铝氮化物制成的横向准相位匹配装置以及包含SrB4O7非线性光学晶体的垂直微腔波长转换装置，可以在230 nm以下波长产生远紫外二次谐波（SHG）。 通常，这些先进的装置需要大型、昂贵的超短脉冲激光作为激发源。然而，实现实用的远紫外光源需要一个波长约为460 nm的蓝光半导体激光器。 蓝色氮化物半导体激光器最初是为蓝光技术设计的，现已扩展到铜和金等金属材料的加工，有望在下一代激光显示技术中得到应用。然而，这些蓝光激光器的的振荡波长通常是多重的。 高效波长转换器件具有非常窄的波长接收带宽，使单波长激光器成为理想的激发源。此外，精确的波长控制和可调性也是必不可少的。尽管已经报道了几种具有粗周期性结构的单波长蓝光激光器，但没有一种能实现可调谐波长控制。 该研究团队的首席作者Kusui Taisei解释道：“我们的可调谐波长氮化物半导体激光器在405 nm波段振荡，但其结构也可以轻松调整至460 nm，结合我们新的波长转换装置，这款激光器能够创造出一个紧凑、实用的远紫外光源，适合在室内环境中持续使用，有效地进行灭菌和消毒。” 凭借其紧凑的设计和更长的使用寿命，这项技术可无缝集成到冰箱、空调等家用电器中，为家庭环境提供更加健康和安全的生活条件，并为公共卫生带来广泛的益处。 图1.（a）具有周期性开槽结构的可调谐单模激光器示意图；(b) 开槽通道的横截面侧视图 图2.制造过程。(a) p电极和蚀刻掩模的形成。(b) 有源通道和开槽通道的形成。(c) 开槽通道的 SEM 图像。(d) 绝缘层的沉积和光刻胶开孔。(e) 绝缘体层开口。(f) 金属化和刻面涂层
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  • 《苏州纳米所孙钱团队研制出一种新型氮化镓半导体激光器》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-11-25
    • III族氮化物半导体是继第一代Si、Ge元素半导体和第二代GaAs、InP化合物半导体之后的第三代半导体，通常又被称为宽禁带半导体。其为直接带隙材料，禁带宽度在0.7 eV (InN)至6.2 eV (AlN)之间连续可调，发光波长覆盖了近红外、可见光到深紫外等波段；其还具有发光效率高、热导率大、化学稳定性好等优点，可用于制作半导体激光器。基于III族氮化物的半导体激光器在激光显示、激光照明、激光通信、材料加工和激光医疗等领域具有重要的应用(图1)，因此得到了国内外产业界知名企业和全球顶尖科研机构的广泛关注。 图1. GaN基激光器的应用场景。 自1996年日本日亚公司研制了国际首支GaN基激光器以来，GaN基激光器性能得到了巨大提升，单颗芯片连续输出功率已超过7瓦，然而其电光转换效率仍然较低(<50%)，远小于GaAs基激光器的电光转换效率(≈80%)。究其主要原因是GaN基激光器的串联电阻较大、热阻较高，导致工作电压和工作结温较高，最终严重影响了器件性能和可靠性。 针对上述问题，中国科学院苏州纳米所孙钱团队从半导体掺杂和载流子输运理论出发，有效利用III族氮化物材料中施主激活效率比受主高、电子迁移率比空穴大的特点，提出了一种新型GaN基激光器结构：翻转脊形波导激光器(图2)，该结构的关键是将脊形波导从高电阻率的p侧转移到低电阻率的n侧，可大幅降低器件的串联电阻和热阻，显著降低工作电压和结温，从而有效提升器件性能和可靠性。另外，翻转脊形波导激光器还可与硅基CMOS实现更好的兼容。相关结构申请了国家发明专利并已授权(ZL 201710022586.5)；还通过PCT(PCT/CN2017/116518)进入了美国、日本、德国，其中美国专利已授权(US 10840419)。 图2. (a) GaN基常规脊形波导激光器和(b)翻转脊形波导激光器结构示意图。 基于上述研究背景，中国科学院苏州纳米所孙钱研究团队在前期研究基础上，(1)设计了基于非对称波导的翻转脊形波导激光器结构，有效降低了内部光损耗；(2)研究了硅基GaN翻转脊形波导激光器中的应力调控与缺陷控制技术，生长了高质量的激光器材料(Optics Express 2019, 27, 25943; Optics Express 2020, 28, 12201; Journal of Physics D: Applied Physics 2019, 52, 425102)，如图3所示；(3)开发了室温低比接触电阻率的氮面n-GaN非合金欧姆接触技术(Solid State Electronics 2020, 171, 107863)；(4)联合Nano-X开发了基于干法刻蚀的激光器腔面制备技术(图3)。 图3. 硅基GaN翻转脊形波导激光器的(a)扫描透射电子显微镜(STEM)图，(b)有源区的STEM图，(c)激光器腔面的扫描电子显微镜(SEM)图。 基于上述工作，孙钱团队实现了硅基GaN翻转脊形波导激光器的室温电注入连续激射(图4)。在阈值电流(350 mA)处，翻转脊形波导激光器的微分电阻和工作电压分别为1.2 ?和4.15 V，比常规结构激光器低48%和1.41 V；翻转脊形波导激光器的工作结温和热阻分别为48.5 oC和18.2 K/W，比常规结构激光器低25 oC和8 K/W。仿真结果表明采用更高热导率的焊料和热沉，翻转脊形波导激光器的工作结温和热阻可进一步降低至34.7 oC和8.7 K/W。综上，GaN基翻转脊形波导激光器在串联电阻和热阻方面优势巨大，可大幅提升III族氮化物半导体激光器的电光转换效率等器件性能和可靠性。 图4. 硅基GaN翻转脊形波导激光器(脊形尺寸：10×800 μm2)的(a)不同注入电流下的电致发光光谱，(b)电致发光光谱峰值波长与半高宽随注入电流的变化曲线，(c) 0.8倍和(d) 1.2倍阈值电流下的远场光斑，(e)输出功率-电流曲线。 该研究成果以InGaN-based lasers with an inverted ridge waveguide heterogeneously integrated on Si(100)为题发表在ACS Photonics 2020, 7, 2636 (网址链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.0c01061)，并被半导体行业权威杂志Semiconductor Today报道(网址链接http://www.semiconductor-today.com/news_items/2020/oct/sinano-151020.shtml)。论文第一作者是中国科学院苏州纳米所博士研究生周瑞和副研究员冯美鑫，通讯作者为孙钱研究员。该工作得到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、中国科学院先导专项课题和中国科学院前沿科学重点研究项目等资助。
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